使用node.js如何實現多用戶web終端顯示

這篇文章主要介紹了node.js支援多用戶web終端實現方案以及web終端安全性保證的解決方法，一起學習參考下。

terminal（命令列）作為本機IDE普遍擁有的功能，對專案的git操作以及檔案操作有著非常強大的支援。對於WebIDE，在沒有web偽終端的情況下，僅僅提供封裝的命令列介面是完全不能滿足開發者使用，因此為了更好的使用者體驗，web偽終端的開發也就提上行程。

研究

終端，在我們認知範圍內略同於命令列工具，通俗點說就是可以執行shell的進程。每次在命令列中輸入一串命令，敲入回車，終端進程都會fork一個子進程，用來執行輸入的命令，終端進程透過系統呼叫wait4()監聽子進程退出，同時透過暴露的stdout輸出子進程執行資訊。

如果在web端實現一個類似本地化的終端功能，需要做的可能會更多：網路延遲可靠度保證、shell使用者體驗盡量接近本地化、web終端UI寬高與輸出資訊適配、安全存取控制與權限管理等。在具體實現web終端之前，需要評估這些功能那些是最核心的，很明確：shell的功能實現及用戶體驗、安全性（web終端是在線伺服器中提供的一個功能，因此安全性是必須要保證的）。只有在保證這兩個功能的前提下，web偽終端才可以正式上線。

以下首先針對這兩個功能考慮下技術實作（服務端技術採用nodejs）：

node原生模組提供了repl模組，它可以用來實作互動式輸入並執行輸出，同時提供tab補全功能，自訂輸出樣式等功能，可是它只能執行node相關指令，因此無法達到我們想要執行系統shell的目的node原生模組child_porcess，它提供了spawn這種封裝了底層libuv的uv_spawn函數，底層執行系統呼叫fork和execvp，執行shell指令。但它未提供偽終端的其它特點，如tab自動補全、方向鍵顯示歷史命令等操作

因此，服務端採用node的原生模組是無法實現一個偽終端的，需要繼續探索偽終端的原理和node端的實現方向。

偽終端

偽終端不是真正的終端，而是核心提供的一個「服務」。終端服務通常包括三層：

最頂層提供給字元設備的輸入輸出介面中間層的線路規程（line discipline）底層的硬體驅動

其中，最頂層的介面往往透過系統呼叫函數實現，如（read，write）；而底層的硬體驅動程式則負責偽終端的主從設備通信，它由核心提供；線路規程看起來則比較抽象，但是實際上從功能上說它負責輸入輸出資訊的“加工”，如處理輸入過程中的中斷字元（ctrl c）以及一些回退字元（backspace 和delete）等，同時轉換輸出的換行符n為rn等。

一個偽終端分為兩部分：主設備和從設備，他們底層透過實現預設線路規程的雙向管道連接（硬體驅動）。偽終端主設備的任何輸入都會反映到從設備上，反之亦然。從設備的輸出資訊也透過管道傳送給主設備，這樣可以在偽終端機的從設備執行shell，完成終端的功能。

偽終端的從設備中，可以真實的模擬終端的tab補全和其他的shell特殊命令，因此在node原生模組不能滿足需求的前提下，我們需要把目光放到底層，看看OS提供了什麼功能。目前，glibc庫提供了posix_openpt接口，不過流程有些繁瑣：

使用posix_openpt打開一個偽終端主設備grantpt設置從設備的權限unlockpt解鎖對應的從設備獲取從設備名稱（類似/dev/pts /123）主（從）設備讀寫，執行操作

因此出現了封裝更好的pty庫，僅透過一個forkpty函數便可以實現上述所有功能。透過寫一個node的c 擴充模組，搭配pty函式庫實作一個在偽終端從裝置執行指令行的terminal。

關於偽終端安全性的問題，我們在文章的最後在進行討論。

偽終端實現想法

根據偽終端機的主從裝置的特性，我們在主裝置所在的父行程中管理偽終端的生命週期及其資源，在從設備所在的子進程中執行shell，執行過程中的信息及結果透過雙向管道傳輸給主設備，由主設備所在的進程向外提供stdout。

在此處借鏡pty.js的實作想法：

pid_t pid = pty_forkpty(&master, name, NULL, &winp);

 switch (pid) {
 case -1:
  return Nan::ThrowError("forkpty(3) failed.");
 case 0:
  if (strlen(cwd)) chdir(cwd);

  if (uid != -1 && gid != -1) {
  if (setgid(gid) == -1) {
   perror("setgid(2) failed.");
   _exit(1);
  }
  if (setuid(uid) == -1) {
   perror("setuid(2) failed.");
   _exit(1);
  }
  }

  pty_execvpe(argv[0], argv, env);

  perror("execvp(3) failed.");
  _exit(1);
 default:
  if (pty_nonblock(master) == -1) {
  return Nan::ThrowError("Could not set master fd to nonblocking.");
  }

  Local<Object> obj = Nan::New<Object>();
  Nan::Set(obj,
  Nan::New<String>("fd").ToLocalChecked(),
  Nan::New<Number>(master));
  Nan::Set(obj,
  Nan::New<String>("pid").ToLocalChecked(),
  Nan::New<Number>(pid));
  Nan::Set(obj,
  Nan::New<String>("pty").ToLocalChecked(),
  Nan::New<String>(name).ToLocalChecked());

  pty_baton *baton = new pty_baton();
  baton->exit_code = 0;
  baton->signal_code = 0;
  baton->cb.Reset(Local<Function>::Cast(info[8]));
  baton->pid = pid;
  baton->async.data = baton;

  uv_async_init(uv_default_loop(), &baton->async, pty_after_waitpid);

  uv_thread_create(&baton->tid, pty_waitpid, static_cast<void*>(baton));

  return info.GetReturnValue().Set(obj);
 }

首先透過pty_forkpty（forkpty的posix實現，相容於sunOS和unix等系統）建立主從設備，然後在子進程中設定權限之後（setuid、setgid），執行系統呼叫pty_execvpe（execvpe的封裝），之後主設備的輸入資訊都會在此得到執行（子程序執行的文件為sh，會偵聽stdin）；

父程序則向node層暴露相關對象，如主設備的fd（透過該fd可以建立net.Socket物件進行資料雙向傳輸），同時註冊libuv的訊息佇列&baton->async，當子行程退出時觸發&baton->async訊息，執行pty_after_waitpid函式；

最後父程式透過呼叫uv_thread_create建立一個子進程，用於偵聽上一個子進程的退出訊息（透過執行系統呼叫wait4，阻塞偵聽特定pid的進程，退出訊息存放在第三個參數），pty_waitpid函數封裝了wait4函數，同時在函數末尾執行uv_async_send(&baton->async)觸發訊息。

在底層實作pty模型後，在node層需要做一些stdio的操作。由於偽終端主設備是在父進程中執行系統呼叫的創建的，而且主設備的文件描述符透過fd暴露給node層，那麼偽終端的輸入輸出也就透過讀寫根據fd創建對應的文件類型如PIPE、FILE來完成。其實，在OS層面就是把偽終端主設備看為一個PIPE，雙向通訊。在node層透過net.Socket(fd)創建一個套接字實現資料流的雙向IO，偽終端的從設備也有著主設備相同的輸入，從而在子進程中執行對應的命令，子進程的輸出也會通PIPE反應在主設備中，進而觸發node層Socket物件的data事件。

此處關於父程序、主設備、子程序、從設備的輸入輸出描述有些讓人迷惑，在此解釋。父行程與主裝置的關係是：父行程透過系統呼叫建立主裝置（可看做是一個PIPE），並取得主裝置的fd。父進程透過建立該fd的connect socket實現向子進程（從裝置）的輸入輸出。而子程序透過forkpty 建立後執行login_tty操作，重置了子程序的stdin、stderr和stderr，全部複製為從裝置的fd（PIPE的另一端）。因此子行程輸入輸出都是與從裝置的fd相關聯的，子行程輸出資料走的是PIPE，並從PIPE讀入父行程的指令。詳情請看參考文獻之forkpty實現

另外，pty庫提供了偽終端的大小設置，因此我們透過參數可以調整偽終端輸出信息的佈局信息，因此這也提供了在web端調整命令行寬高的功能，只需在pty層設定偽終端視窗大小即可，該視窗是以字元為單位。

web終端機安全性保證

基於glibc提供的pty庫實作偽終端後台，是沒有任何安全性保證的。我們想要透過web終端直接操作服務端的某個目錄，但是透過偽終端後台可以直接取得root權限，這對服務而言是不可容忍的，因為它直接影響伺服器的安全，所有需要實現一個：可多使用者同時線上、可設定每個使用者存取權限、可存取特定目錄的、可選擇配置bash指令、使用者間相互隔離、使用者無感知當前環境且環境簡單易部署的「系統」。

最適合的技術選型是docker，作為一種核心層面的隔離，它可以充分利用硬體資源，並且十分方便地映射宿主機的相關檔案。但是docker並不是萬能的，如果程式運行在docker容器中，那麼為每個用戶再分配一個容器就會變得複雜得多，而且不受運維人員掌控，這就是所謂的DooD（docker out of docker ）-- 透過volume “/usr/local/bin/docker”等二進位文件，使用宿主機的docker指令，開啟兄弟鏡像運行建置服務。而採用業界常討論的docker-in-docker模式會存在諸多缺點，特別是檔案系統層面的，這在參考文獻中可以找到。因此，docker技術並不適合已經運行在容器中的服務解決使用者存取安全問題。

接下來需要考慮單機上的解決方案。目前筆者只想到兩種方案：

命令ACL，透過命令白名單的方式實現restricted bash chroot，針對每個用戶創建一個系統用戶，監禁用戶訪問範圍

首先，命令白名單的方式是最應該排除的，首先無法保證不同release的linux的bash是相同的；其次無法有效窮舉所有的命令；最後由於偽終端提供的tab命令補全功能以及特殊字符如delete的存在，無法有效匹配當前輸入的命令。因此白名單方式漏洞太多，放棄。

restricted bash，透過/bin/bash -r觸發，可以限制使用者顯式“cd directory”，但有這許多缺點：

不足以允許執行完全不受信任的軟體。當一個被發現是shell腳本的命令被執行時，rbash會關閉在shell中產生的任何限制來執行腳本。當使用者從rbash運行bash或dash，那麼他們獲得了無限的shell。有很多方法來打破受限的bash shell，這是不容易預測的。

最後，似乎只有一個解決方案了，即chroot。 chroot修改了使用者的根目錄，在製定的根目錄下執行指令。在指定根目錄下無法跳出該目錄，因此無法存取原始系統的所有目錄；同時chroot會建立一個與原始系統隔離的系統目錄結構，因此原始系統的各種命令無法在「新系統」中使用，因為它是全新的、空的；最後，多個使用者使用時他們是隔離的、透明的，完全滿足我們的需求。

因此，我們最後選擇chroot作為web終端機的安全性解決方案。但是，使用chroot需要做非常多的額外處理，不僅包括新使用者的創建，還包括指令的初始化。上文也提到「新系統」是空的，所有可執行二進位檔案都沒有，如「ls，pmd」等，因此初始化「新系統」是必須的。但許多二進位檔案不只靜態連結了許多函式庫，還在執行時依賴動態連結函式庫（dll），為此還需要找到每個指令所依賴的許多dll，異常繁瑣。為了幫助使用者從這種無趣的過程中解脫出來，jailkit應運而生。

jailkit，真好用

jailkit，顧名思義用來監禁用戶。 jailkit內部使用chroot實作建立使用者根目錄，同時提供了一系列指令來初始化、拷貝二進位檔案及其所有的dll，而這些功能都可以透過設定檔進行操作。因此，在實際開發中採用jailkit搭配初始化shell腳本來實現檔案系統隔離。

此處的初始化shell指的是預處理腳本，由於chroot需要針對每個使用者設定根目錄，因此在shell中為每個開通命令列權限的使用者建立對應的user，並透過jailkit設定檔拷貝基本的二進位檔案及其dll，如基本的shell指令、git、vim、ruby等；最後再針對某些指令做額外的處理，以及權限重設。

在處理「新系統」與原始系統的檔案映射過程中，還是需要一些技巧。筆者曾經將chroot設定的用戶根目錄之外的其他目錄通過軟鏈接的形式建立映射，可是在jail監獄中訪問軟鏈接時仍會報錯，找不到該文件，這還是由於chroot的特性導致的，沒有權限存取根目錄之外的檔案系統；如果透過硬連結建立映射，則針對chroot設定的使用者根目錄中的硬連結檔案做修改是可以的，但是涉及到刪除、建立等操作是無法正確映射到原系統的目錄的，而且硬鏈接無法連接目錄，因此硬鏈接不滿足需求；最後通過mount --bind實現，如mount --bind /home/ttt/abc /usr/local/abc它通過屏蔽被掛載的目錄(/usr/local/abc)的目錄資訊（block），並在記憶體中維護被掛載目錄與掛載目錄的映射關係，對/usr/local/abc的存取都會透過傳內存的映射表查詢/home/ttt/abc的block，然後進行操作，實現目錄的對應。

最後，初始化「新系統」完成後，就需要透過偽終端機執行jail相關指令：

sudo jk_chrootlaunch -j /usr/local/jailuser/${creater} -u $ {creater} -x /bin/bashr

開啟bash程式之後便透過PIPE與主設備接收到的web終端輸入（透過websocket）進行通訊即可。

上面是我整理給大家的，希望今後對大家有幫助。

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